RU2649490C2 - Sliding element, in particular, a piston ring having a coating - Google Patents
Sliding element, in particular, a piston ring having a coating Download PDFInfo
- Publication number
- RU2649490C2 RU2649490C2 RU2015135363A RU2015135363A RU2649490C2 RU 2649490 C2 RU2649490 C2 RU 2649490C2 RU 2015135363 A RU2015135363 A RU 2015135363A RU 2015135363 A RU2015135363 A RU 2015135363A RU 2649490 C2 RU2649490 C2 RU 2649490C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- layer
- sliding element
- dlc
- metal
- hydrogen
- Prior art date
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
- C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
- C23C28/32—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one pure metallic layer
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
- C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
- C23C28/34—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
- C23C28/341—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one carbide layer
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
- C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
- C23C28/34—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
- C23C28/343—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with at least one DLC or an amorphous carbon based layer, the layer being doped or not
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
- C23C28/30—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer
- C23C28/34—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates
- C23C28/347—Coatings combining at least one metallic layer and at least one inorganic non-metallic layer including at least one inorganic non-metallic material layer, e.g. metal carbide, nitride, boride, silicide layer and their mixtures, enamels, phosphates and sulphates with layers adapted for cutting tools or wear applications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
- F16J9/00—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction
- F16J9/26—Piston-rings, e.g. non-metallic piston-rings, seats therefor; Ring sealings of similar construction characterised by the use of particular materials
Abstract
Description
Изобретение относится к скользящему элементу, в частности к поршневому кольцу.The invention relates to a sliding element, in particular to a piston ring.
Скользящие элементы, например такие, как поршневые кольца, имеют поверхности скольжения, которыми они находятся в скользящем контакте с сопряженной деталью пары трения. Трибологическая система является сложной и решающим образом определяется, например, сочетанием пар материалов в паре трения и условиями окружающей среды, например такими, как давление, температура и среда окружения. Именно в современных двигателях возникают особенно высокие нагрузки, например, на поршневые кольца. Чтобы обеспечить и продлить работоспособность и долговечность конструкционных деталей, могут быть целенаправленно оптимизированы характеристики поверхностей скольжения скользящего элемента.Sliding elements, for example, such as piston rings, have sliding surfaces with which they are in sliding contact with the mating part of the friction pair. The tribological system is complex and crucial determined, for example, by a combination of pairs of materials in a friction pair and environmental conditions, for example, such as pressure, temperature and the environment. It is in modern engines that particularly high loads arise, for example, on piston rings. In order to ensure and extend the performance and durability of structural parts, the sliding surfaces of the sliding element can be optimally targeted.
Уровень техникиState of the art
Такие оптимизации часто включают нанесение более или менее сложной системы слоев с помощью, например, способа термического напыления, гальванического способа или способа тонкопленочной технологии. Основное назначение таких слоев состоит в защите от износа, при этом в первую очередь стремятся обеспечить главным образом высокую твердость. Особенно твердыми и долговечными слоями оказались слои из алмазоподобного углерода (DLC-слои). Их свойства можно варьировать разнообразными путями, например изменением характера их С-С-связей, различными уровнями содержания углеродных связей, и наличием или отсутствием водорода и металлов. Зачастую под этими слоями для защиты от износа наносятся адгезионные слои, которые должны обеспечивать особенно устойчивое и прочное сцепление высоконагруженного противоизносного слоя с базовым материалом скользящего элемента.Such optimizations often include applying a more or less complex layer system using, for example, a thermal spraying method, a galvanic method, or a thin-film technology method. The main purpose of these layers is to protect against wear, while in the first place they seek to provide mainly high hardness. Especially hard and durable layers were diamond-like carbon layers (DLC layers). Their properties can be varied in a variety of ways, for example, by changing the nature of their C — C bonds, different levels of carbon bonds, and the presence or absence of hydrogen and metals. Often under these layers, adhesive layers are applied to protect against wear, which should provide a particularly stable and strong adhesion of the highly loaded anti-wear layer to the base material of the sliding element.
Однако применение исключительно очень твердых DLC-покрытий приводит к некоторым технологическим проблемам. Во-первых, поверхности этих слоев должны быть очень гладкими, чтобы при высоком контактном напряжении не происходили разрушения на поверхности и тем самым не приводили к выходу системы слоев из строя. Кроме того, может проявиться то, что, например, при увеличении шероховатости противоизносных слоев значительно возрастает износ кольца и зеркала цилиндра. Поэтому необходимо делать поверхности противоизносных слоев в высшей степени гладкими перед их использованием, но это связано с высокими техническими издержками, а также является очень дорогостоящим. Например, патентный документ ЕР 1 829 986 В1 описывает способ, как такие твердые слои на основе углерода могут быть обработаны с помощью щетиноподобных или пластинчатых элементов. Во-вторых, очень твердые слои для защиты от износа имеют неблагоприятные характеристики приработки. Вследствие их высокой твердости приработка происходит за счет сопряженной детали пары трения, которая в фазе приработки претерпевает усиленный износ, что, кроме того, может вести к образованию царапин и/или к прижогам.However, the use of exceptionally very hard DLC coatings leads to some technological problems. Firstly, the surfaces of these layers must be very smooth so that at a high contact voltage there is no destruction on the surface and thereby do not lead to failure of the layer system. In addition, it may occur that, for example, with an increase in the roughness of the anti-wear layers, the wear of the ring and the mirror of the cylinder increases significantly. Therefore, it is necessary to make the surfaces of the anti-wear layers extremely smooth before using them, but this is associated with high technical costs and is also very expensive. For example, patent document EP 1 829 986 B1 describes a method of how such carbon-based hard layers can be processed using bristle-like or plate elements. Secondly, very hard layers for wear protection have adverse running-in characteristics. Due to their high hardness, running-in occurs due to the mating part of the friction pair, which undergoes increased wear during the running-in phase, which, in addition, can lead to scratches and / or burns.
В отношении прирабатываемости может быть целесообразным предусматривать нанесение на противоизносные слои приработочных слоев, которые являются более мягкими, чем слои для защиты от износа. Назначение этих слоев состоит в достижении своего рода трибологического «равновесия», в котором приработочный слой при первом контакте с сопряженной деталью пары трения изнашивается и при этом происходит взаимная притирка сопряженных деталей пары трения. После фазы приработки замедляется и стабилизируется износ вследствие механического истирания, и тогда твердый противоизносный слой обеспечивает постоянные благоприятные характеристики износа и стабильность на протяжении срока эксплуатации.In terms of run-in, it may be appropriate to provide for the application of run-in layers on the anti-wear layers that are softer than the layers for wear protection. The purpose of these layers is to achieve a kind of tribological "equilibrium" in which the running-in layer wears out upon first contact with the conjugated part of the friction pair and at the same time, the grinding of the conjugated parts of the friction pair occurs. After the running-in phase, wear due to mechanical abrasion slows down and stabilizes, and then a solid anti-wear layer provides constant favorable wear characteristics and stability over the life of the product.
Патентный документ DE 10 2005 063 123 В3 описывает систему слоев на скользящем элементе, состоящую по направлению изнутри наружу из противоизносного слоя, адгезионного слоя и приработочного слоя типа Ме-С:Н, в котором, кроме того, содержатся частицы твердого материала, например карбида вольфрама (WС).Patent document DE 10 2005 063 123 B3 describes a system of layers on a sliding element, consisting from inside to outside of an anti-wear layer, an adhesive layer and a running-in layer of the Me-C: H type, which, in addition, contains particles of a solid material, for example tungsten carbide (WС).
Из патентного документа DE 10 2008 042 747 А1 следует скользящий элемент с покрытием, которое по направлению изнутри наружу имеет адгезионный слой, нанесенный физическим осаждением из паровой фазы (PVD) слой, необязательно слой на основе углерода типа а-С:Н:W, слой на основе углерода типа а-С:Н и дополнительный слой на основе углерода типа а-С:Н. При этом предусматривается, что наружный углеродный слой является более мягким, чем нижележащий углеродный слой.From patent document DE 10 2008 042 747 A1, there is a sliding element with a coating that has an adhesive layer applied from the inside out by physical vapor deposition (PVD) layer, optionally an a-C-based carbon layer, H: W, layer based on carbon type aC: H and an additional layer based on carbon type aC: H. It is contemplated that the outer carbon layer is softer than the underlying carbon layer.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
В основу изобретения положена задача создания скользящего элемента, в частности поршневого кольца для двигателей внутреннего сгорания, с оптимальными механическими, а также трибологическими свойствами. Точнее, задача состоит в создании такого скользящего элемента, поверхность которого имеет благоприятную прирабатываемость, то есть обеспечивает сокращенную продолжительность приработки, уменьшенный износ сопряженной детали и пониженный расход топлива и масла во время приработки. Кроме того, должна достигаться улучшенная обрабатываемость поверхности скользящего элемента.The basis of the invention is the creation of a sliding element, in particular a piston ring for internal combustion engines, with optimal mechanical as well as tribological properties. More precisely, the task is to create such a sliding element, the surface of which has a favorable running-in, that is, it provides a shorter running-in time, reduced wear of the mating part and reduced fuel and oil consumption during running-in. In addition, improved machinability of the surface of the sliding member should be achieved.
Соответственно изобретению задача решена с помощью скользящего элемента согласно пункту 1 патентной формулы. Предпочтительные варианты осуществления и усовершенствования изобретения могут быть достигнуты сообразно признакам, указанным в зависимых пунктах формулы изобретения.According to the invention, the problem is solved using a sliding element according to paragraph 1 of the patent claims. Preferred embodiments and improvements of the invention can be achieved in accordance with the characteristics indicated in the dependent claims.
Соответствующий изобретению скользящий элемент, в частности поршневое кольцо, имеет по меньшей мере одну поверхность скольжения, причем сама поверхность скольжения имеет покрытие, которое по направлению изнутри наружу имеет по меньшей мере один первый адгезионный слой, твердый безводородный DLC-слой, второй адгезионный слой, мягкий водородсодержащий, содержащий металл и/или карбид металла DLC-слой, который является более мягким, чем твердый безводородный DLC-слой, и твердый водородсодержащий DLC-слой, который является более твердым, чем мягкий водородсодержащий, содержащий металл и/или карбид металла DLC-слой.The sliding element according to the invention, in particular the piston ring, has at least one sliding surface, the sliding surface itself having a coating that has at least one first adhesive layer, a solid anhydrous DLC layer, a second adhesive layer, soft from the inside outwards a hydrogen containing metal and / or metal carbide DLC layer that is softer than a solid anhydrous DLC layer and a solid hydrogen containing DLC layer that is harder than soft th hydrogen comprising a metal and / or carbide, DLC-layer metal.
Внутренний твердый безводородный DLC-слой после приработки становится исполняющим функцию защиты от износа скользящего элемента при долговременной эксплуатации и тем самым обеспечивает хорошую устойчивость на протяжении срока службы и работоспособность скользящего элемента. Чтобы оптимально исполнять эту функцию, предпочтительно выбирается слой типа ta-C, то есть слой тетраэдрического, безводородного, аморфного углерода, который отличается высокими достижимыми величинами твердости.After running in, the internal solid hydrogen-free DLC layer becomes fulfilling the function of protection against wear of the sliding element during long-term operation and thereby ensures good stability over the life of the sliding element. In order to optimally fulfill this function, a ta-C type layer is preferably selected, that is, a layer of tetrahedral, non-hydrogen, amorphous carbon, which is characterized by high achievable hardness values.
Однако мягкий водородсодержащий, содержащий металл и/или карбид металла DLC-слой, в частности, сравнительно с вышеописанным DLC-слоем, является сравнительно мягким, но, кроме того, имеет благоприятные трибологические характеристики. Этот слой может быть предпочтительно выполнен как слой тетраэдрического, безводородного, аморфного углерода (ta-C), или как слой водородсодержащего аморфного углерода (а-С:Н), или как слой содержащего металл и водород аморфного углерода (Me-DLC). Мягкий DLC-слой действует в качестве стабилизирующего промежуточного слоя между обоими твердыми DLC-слоями и при этом делает систему слоев устойчивой против возникающих высоких срезающих усилий.However, a soft hydrogen-containing metal and / or metal carbide-containing DLC layer, in particular compared to the above-described DLC layer, is relatively soft, but also has favorable tribological characteristics. This layer can preferably be made as a layer of tetrahedral, anhydrous, amorphous carbon (ta-C), or as a layer of hydrogen-containing amorphous carbon (a-C: H), or as a layer of metal and hydrogen containing amorphous carbon (Me-DLC). The soft DLC layer acts as a stabilizing intermediate layer between both solid DLC layers and at the same time makes the layer system resistant to the high shear forces that arise.
Заключительный наружный слой покрытия сформирован твердым водородсодержащим DLC-слоем. Этот слой при этом предпочтительно выполнен несколько менее твердым и обладает меньшей износоустойчивостью, чем внутренний твердый DLC-слой. Вследствие этого может быть сравнительно благоприятно достигнута меньшая шероховатость поверхности благодаря процессу выглаживания перед применением скользящего элемента, например, в двигателе внутреннего сгорания. Тем самым слой пригоден в качестве приработочного слоя, сообразно чему достигается хорошая прирабатываемость, например, поршневого кольца с поверхностью скольжения цилиндра, что в совокупности обусловливает сокращенную продолжительность приработки, уменьшенный износ сопряженной детали и сниженный расход топлива и масла, а также прорыв газов в картер двигателя в фазе приработки.The final outer coating layer is formed by a solid hydrogen-containing DLC layer. In this case, this layer is preferably made somewhat less hard and has less wear resistance than the internal solid DLC layer. As a result, lesser surface roughness can be achieved relatively favorably due to the smoothing process before using the sliding element, for example, in an internal combustion engine. Thus, the layer is suitable as a running-in layer, according to which a good running-in, for example, of a piston ring with a sliding surface of the cylinder, is achieved, which together leads to a shorter running-in time, reduced wear of the mating part and reduced fuel and oil consumption, as well as gas breakthrough into the engine crankcase in the run-in phase.
Кроме того, система слоев образована двумя адгезионными слоями, которые создают хорошее сплошное соединение между внутренним твердым и мягким DLC-слоем, так что покрытие во время высоких нагрузок в фазе приработки не утрачивает своей цельности и работоспособности. Во-вторых, первый адгезионный слой служит в качестве материала, повышающего прочность сцепления с базовым материалом поверхности скольжения, и тем самым создает основу для устойчивости и работоспособности покрытия в целом.In addition, the layer system is formed by two adhesive layers, which create a good continuous connection between the inner hard and soft DLC layer, so that the coating during high loads in the running-in phase does not lose its integrity and performance. Secondly, the first adhesive layer serves as a material that increases adhesion to the base material of the sliding surface, and thereby creates the basis for the stability and performance of the coating as a whole.
Выбранные материалы DLC-слоев обеспечивают возможность хорошей оптимизации свойств слоев в отношении их индивидуального использования в покрытии, например, путем вариации содержания водорода или типа введенных металлов. В целом тем самым получается система слоев, которая отличается постоянно низким трением во время всего срока эксплуатации скользящего элемента.The selected materials of the DLC layers provide the possibility of a good optimization of the properties of the layers with respect to their individual use in the coating, for example, by varying the hydrogen content or the type of metals introduced. In general, this results in a layer system that is characterized by constantly low friction during the entire life of the sliding element.
Твердый безводородный DLC-слой предпочтительно имеет твердость между около 1800 и около 3500 HV 0,02, мягкий водородсодержащий, содержащий металл и/или карбид металла DLC-слой имеет твердость между около 800 и около 1400 HV 0,002, и твердый водородсодержащий DLC-слой имеет твердость между около 1800 и около 3100 HV 0,002. Различные твердости, как представлено выше, обусловливают различные действия отдельных слоев в покрытии. Высокая максимальная твердость внутреннего твердого безводородного DLC-слоя обеспечивает устойчивость на протяжении срока эксплуатации. Меньшая твердость мягкого промежуточного DLC-слоя является благоприятной для механической стабилизации покрытия, и слегка сниженная максимальная твердость наружного твердого водородсодержащего DLC-слоя оказывается благоприятной для прирабатываемости скользящего элемента. Улучшенная прирабатываемость способствует трибологической стабилизации сопряженных скользящих деталей между собой, а также улучшенной притирке скользящего элемента к геометрической форме сопряженной скользящей детали. При этом величины твердости оказываются особенно благоприятными в приведенных диапазонах.The solid anhydrous DLC layer preferably has a hardness between about 1800 and about 3500 HV 0.02, a soft hydrogen containing metal and / or metal carbide DLC layer has a hardness between about 800 and about 1400 HV 0.002, and a solid hydrogen containing DLC layer has hardness between about 1800 and about 3100 HV 0.002. Different hardnesses, as presented above, determine the different actions of the individual layers in the coating. The high maximum hardness of the internal solid anhydrous DLC layer provides stability over the life of the product. The lower hardness of the soft intermediate DLC layer is favorable for mechanical stabilization of the coating, and the slightly reduced maximum hardness of the outer solid hydrogen-containing DLC layer is favorable for the running time of the sliding element. Improved run-in contributes to the tribological stabilization of the mating sliding parts together, as well as improved grinding of the sliding element to the geometric shape of the mating sliding part. In this case, the hardness values are particularly favorable in the above ranges.
Чтобы обеспечить работоспособность и пригодность покрытия, предпочтительно, чтобы разность значений твердости между твердыми DLC-слоями и мягким DLC-слоем соответствовала коэффициенту от около 1,2 до около 4,4. Меньшие разности значений твердости приводили бы к слишком однородной системе слоев с очень сходными свойствами слоев, и это обусловливало бы утрату, например, эффекта механической стабилизации, или оптимальной прирабатываемости, или хорошей устойчивости на протяжении срока эксплуатации. Увеличенные же разности значений твердости представляются технологически менее целесообразными и не оказывали бы никакого положительного действия.In order to ensure the operability and suitability of the coating, it is preferable that the difference in hardness between the solid DLC layers and the soft DLC layer corresponds to a coefficient of from about 1.2 to about 4.4. Smaller differences in hardness values would lead to a too homogeneous system of layers with very similar layer properties, and this would result in the loss, for example, of the effect of mechanical stabilization, or optimal run-in, or good stability over the life of the product. The increased differences in hardness values seem technologically less appropriate and would not have had any positive effect.
Благоприятным образом мягкий водородсодержащий, содержащий металл и/или карбид металла DLC-слой имеет фазы из вольфрама, и/или карбида вольфрама, и/или кремния, и/или карбида кремния, и/или хрома, и/или карбида хрома. Было показано, что элементы W, Si и Cr, и/или их карбиды, содержащиеся в слое водородсодержащего аморфного углерода, образуют слой, который представляет собой хороший компромисс между характеристиками стабилизации и трения.Advantageously, a soft hydrogen containing metal and / or metal carbide DLC layer has phases of tungsten and / or tungsten carbide and / or silicon and / or silicon carbide and / or chromium and / or chromium carbide. It was shown that the elements W, Si and Cr, and / or their carbides contained in a layer of hydrogen-containing amorphous carbon, form a layer that represents a good compromise between the characteristics of stabilization and friction.
Первый и/или второй адгезионный слой предпочтительно являются(ется) содержащими(щим) металл, в частности хром (Cr). Адгезионные слои при этом могут быть изготовлены способом с использованием низкотемпературной плазмы, например, физическим осаждением из газовой фазы.The first and / or second adhesive layer is preferably (contain) metal (in particular) chromium (Cr). In this case, the adhesive layers can be made by a method using low-temperature plasma, for example, by physical vapor deposition.
Покрытие на поверхности скольжения скользящего элемента предпочтительно имеет совокупную толщину от около 5 мкм до около 50 мкм. Толщины слоев в этом диапазоне обеспечивают то, что приработочный слой и стабилизирующий слой являются достаточно толстыми, чтобы надлежащим образом исполнять свои функции, и что противоизносный слой имеет достаточное количество материала, чтобы обеспечивать хорошие трибологические характеристики при длительной работе.The coating on the sliding surface of the sliding element preferably has an aggregate thickness of from about 5 microns to about 50 microns. The layer thicknesses in this range ensure that the running-in layer and the stabilizing layer are sufficiently thick to properly perform their functions, and that the anti-wear layer has enough material to provide good tribological characteristics during long-term operation.
Соотношение толщин слоев между толщиной твердого безводородного DLC-слоя, включая первый адгезионный слой, и толщиной обоих водородсодержащих DLC-слоев, в том числе второго адгезионного слоя, составляет между около 1,1 и около 12. Тем самым является благоприятной конфигурация слоев, в которой действующий в качестве приработочного слоя DLC-слой постоянно является более тонким, чем DLC-слой, выполненный в качестве противоизносного слоя. Соотношения толщин слоев могут благоприятным образом варьировать в пределах этого диапазона значений так, что в зависимости от условий применения скользящего элемента может быть изготовлен, например, сравнительно толстый приработочный слой или сравнительно тонкий приработочный слой.The ratio of the layer thicknesses between the thickness of the solid anhydrous DLC layer, including the first adhesive layer, and the thickness of both hydrogen-containing DLC layers, including the second adhesive layer, is between about 1.1 and about 12. Thus, a layer configuration in which acting as a running-in layer, the DLC layer is constantly thinner than the DLC layer made as an anti-wear layer. The ratios of the thicknesses of the layers can advantageously vary within this range of values so that, for example, a relatively thick running-in layer or a relatively thin running-in layer can be made, depending on the application conditions of the sliding element.
Базовый материал скользящего элемента может быть сформирован из стали или ковкого чугуна. Эти материалы оказались особенно благоприятными базовыми материалами для высоконагруженного скользящего элемента, например поршневого кольца.The base material of the sliding element may be formed of steel or ductile iron. These materials turned out to be particularly favorable base materials for a highly loaded sliding element, for example a piston ring.
Кроме того, поверхность по меньшей мере одного DLC-слоя может быть механически выглажена. По возможности гладкая поверхность трения содействует значительному снижению, например, износа кольца и зеркала цилиндра.In addition, the surface of the at least one DLC layer can be mechanically smoothed. If possible, a smooth friction surface contributes to a significant reduction, for example, wear of the ring and the mirror of the cylinder.
Варианты осуществления изобретенияEmbodiments of the invention
В качестве примерного варианта осуществления настоящего изобретения представляется сложная система слоев, в которой на базовом материале скользящего элемента, например стали или ковком чугуне, по направлению изнутри наружу сначала наносится первый содержащий хром адгезионный слой. Затем на этот слой наносится твердый безводородный DLC-слой, который обеспечивает устойчивость на протяжении срока эксплуатации всей системы слоев в целом. К нему примыкает дополнительный содержащий металл адгезионный слой, за которым следует сравнительно мягкий водородсодержащий, содержащий металл и/или карбид металла DLC-слой, который прежде всего воспринимает механические срезающие усилия и обусловливает стабилизирующее действие. Снаружи система слоев завершается твердым водородсодержащим DLC-слоем, который имеет меньшую максимальную твердость, чем внутренний твердый DLC-слой, и служит в качестве приработочного слоя.As an exemplary embodiment of the present invention, a complex layer system is provided in which a first chromium-containing adhesive layer is first applied on the base material of a sliding element, for example steel or malleable cast iron. Then, a solid anhydrous DLC layer is applied to this layer, which provides stability over the life of the entire system of layers as a whole. An additional metal-containing adhesive layer adjoins it, followed by a relatively soft hydrogen-containing, metal-containing and / or metal carbide DLC layer, which primarily receives mechanical shear forces and causes a stabilizing effect. Outside, the layer system terminates with a solid hydrogen-containing DLC layer, which has a lower maximum hardness than the inner solid DLC layer, and serves as a running-in layer.
Claims (11)
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102013200846.5 | 2013-01-21 | ||
| DE102013200846.5A DE102013200846A1 (en) | 2013-01-21 | 2013-01-21 | Sliding element, in particular piston ring, with a coating |
| PCT/EP2014/050207 WO2014111294A1 (en) | 2013-01-21 | 2014-01-08 | Sliding element, in particular a piston ring, having a coating |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2015135363A RU2015135363A (en) | 2017-03-03 |
| RU2649490C2 true RU2649490C2 (en) | 2018-04-03 |
Family
ID=49989681
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015135363A RU2649490C2 (en) | 2013-01-21 | 2014-01-08 | Sliding element, in particular, a piston ring having a coating |
Country Status (9)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US9488275B2 (en) |
| EP (1) | EP2946030B1 (en) |
| JP (1) | JP6340014B2 (en) |
| KR (1) | KR20150109345A (en) |
| CN (1) | CN104919086A (en) |
| DE (1) | DE102013200846A1 (en) |
| PT (1) | PT2946030T (en) |
| RU (1) | RU2649490C2 (en) |
| WO (1) | WO2014111294A1 (en) |
Families Citing this family (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102014200607A1 (en) * | 2014-01-15 | 2015-07-16 | Federal-Mogul Burscheid Gmbh | Sliding element, in particular piston ring |
| BR102016015392A2 (en) | 2016-06-30 | 2018-01-16 | Mahle Metal Leve S.A. | SLIDING ELEMENT FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES |
| DE102016116123B4 (en) | 2016-08-30 | 2018-07-19 | Federal-Mogul Valvetrain Gmbh | Low-wear cone piece |
| BR102017007599B1 (en) * | 2017-04-12 | 2022-07-26 | Mahle Metal Leve S.A. | PISTON RING FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES |
| JP6413060B1 (en) * | 2017-05-11 | 2018-10-31 | 日本アイ・ティ・エフ株式会社 | Hard carbon film, method for producing the same, and sliding member |
| US11156291B2 (en) | 2017-06-02 | 2021-10-26 | Mahle International Gmbh | Piston ring and method of manufacture |
| US11047478B2 (en) | 2017-06-02 | 2021-06-29 | Mahle International Gmbh | Piston ring and method of manufacture |
| US11162586B2 (en) | 2017-06-02 | 2021-11-02 | Mahle International Gmbh | Piston ring and method of manufacture |
| JP6533818B2 (en) * | 2017-10-20 | 2019-06-19 | 株式会社リケン | Sliding member and piston ring |
| DE102019001120A1 (en) * | 2019-02-15 | 2020-08-20 | KSB SE & Co. KGaA | Relief device |
| DE102019214934A1 (en) * | 2019-09-27 | 2021-04-01 | Robert Bosch Gmbh | Wear-resistant coated metallic component |
| DE102020124180A1 (en) | 2020-09-16 | 2022-03-17 | Federal-Mogul Burscheid Gmbh | Sliding element, in particular a piston ring |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008081630A (en) * | 2006-09-28 | 2008-04-10 | Brother Ind Ltd | Sliding member |
| WO2011110413A1 (en) * | 2010-03-09 | 2011-09-15 | Federal-Mogul Burscheid Gmbh | Sliding element, in particular a piston ring, and method for coating a sliding element |
| RU2440441C2 (en) * | 2006-10-20 | 2012-01-20 | Х.Е.Ф. | Part in sliding contact at lubrication rate, which is covered with thin film |
| EP2505685A1 (en) * | 2011-03-28 | 2012-10-03 | TPR Co., Ltd. | Piston ring |
Family Cites Families (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6228471B1 (en) * | 1997-02-04 | 2001-05-08 | N.V. Bekaert S.A. | Coating comprising layers of diamond like carbon and diamond like nanocomposite compositions |
| JP4683177B2 (en) * | 2001-07-17 | 2011-05-11 | 住友電気工業株式会社 | Amorphous carbon coating, method for producing amorphous carbon coating, and coating member for amorphous carbon coating |
| JP4085699B2 (en) * | 2002-06-04 | 2008-05-14 | トヨタ自動車株式会社 | Sliding member and manufacturing method thereof |
| US6904935B2 (en) * | 2002-12-18 | 2005-06-14 | Masco Corporation Of Indiana | Valve component with multiple surface layers |
| JP2006008853A (en) * | 2004-06-25 | 2006-01-12 | Nissan Motor Co Ltd | Hard carbon film sliding member and method for producing the same |
| US7820293B2 (en) * | 2005-08-18 | 2010-10-26 | Nv Bekaert Sa | Substrate coated with a layered structure comprising a tetrahedral carbon coating |
| CN101432462B (en) * | 2005-08-18 | 2012-12-05 | 萨尔泽曼塔普拉斯有限公司 | Substrate coated with a layered structure comprising a tetrahedral carbon layer and a softer outer layer |
| JP2007070667A (en) * | 2005-09-05 | 2007-03-22 | Kobe Steel Ltd | Formed article with hard multilayer film of diamond-like carbon, and production method therefor |
| DE102005063123B3 (en) | 2005-12-30 | 2007-05-31 | Federal-Mogul Burscheid Gmbh | Piston ring for sealing chamber in cylinder has running-in layer containing hydrogen and nanocrystalline carbide phases |
| DE102006010916A1 (en) * | 2006-03-01 | 2007-09-06 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Process for machining surfaces of a hard carbon coating |
| DE102008011921A1 (en) * | 2008-02-29 | 2009-09-10 | Ks Kolbenschmidt Gmbh | Coating of components of an internal combustion engine to reduce friction, wear and adhesion tendency |
| DE102008042747A1 (en) | 2008-10-10 | 2010-04-15 | Federal-Mogul Burscheid Gmbh | Sliding element in an internal combustion engine, in particular piston ring |
| DE102009028504C5 (en) * | 2009-08-13 | 2014-10-30 | Federal-Mogul Burscheid Gmbh | Piston ring with a coating |
| DE102009046281B3 (en) * | 2009-11-02 | 2010-11-25 | Federal-Mogul Burscheid Gmbh | Sliding element, in particular piston ring, and combination of a sliding element with a running partner |
-
2013
- 2013-01-21 DE DE102013200846.5A patent/DE102013200846A1/en not_active Ceased
-
2014
- 2014-01-08 PT PT147005698T patent/PT2946030T/en unknown
- 2014-01-08 CN CN201480004622.XA patent/CN104919086A/en active Pending
- 2014-01-08 RU RU2015135363A patent/RU2649490C2/en not_active IP Right Cessation
- 2014-01-08 JP JP2015553046A patent/JP6340014B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2014-01-08 WO PCT/EP2014/050207 patent/WO2014111294A1/en active Application Filing
- 2014-01-08 US US14/762,278 patent/US9488275B2/en active Active
- 2014-01-08 EP EP14700569.8A patent/EP2946030B1/en active Active
- 2014-01-08 KR KR1020157017538A patent/KR20150109345A/en not_active Application Discontinuation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008081630A (en) * | 2006-09-28 | 2008-04-10 | Brother Ind Ltd | Sliding member |
| RU2440441C2 (en) * | 2006-10-20 | 2012-01-20 | Х.Е.Ф. | Part in sliding contact at lubrication rate, which is covered with thin film |
| WO2011110413A1 (en) * | 2010-03-09 | 2011-09-15 | Federal-Mogul Burscheid Gmbh | Sliding element, in particular a piston ring, and method for coating a sliding element |
| EP2505685A1 (en) * | 2011-03-28 | 2012-10-03 | TPR Co., Ltd. | Piston ring |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP6340014B2 (en) | 2018-06-06 |
| PT2946030T (en) | 2017-04-21 |
| CN104919086A (en) | 2015-09-16 |
| JP2016510388A (en) | 2016-04-07 |
| WO2014111294A1 (en) | 2014-07-24 |
| US9488275B2 (en) | 2016-11-08 |
| DE102013200846A1 (en) | 2014-07-24 |
| KR20150109345A (en) | 2015-10-01 |
| EP2946030B1 (en) | 2017-03-08 |
| RU2015135363A (en) | 2017-03-03 |
| EP2946030A1 (en) | 2015-11-25 |
| US20150362071A1 (en) | 2015-12-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2649490C2 (en) | Sliding element, in particular, a piston ring having a coating | |
| JP5452734B2 (en) | Process for manufacturing slide elements with a coating, in particular piston rings, and slide elements | |
| JP5030439B2 (en) | Sliding member | |
| JP6261582B2 (en) | Slide elements, in particular piston rings with a resistant coating | |
| JP5583207B2 (en) | Sliding member | |
| US20130084031A1 (en) | Sliding element with dlc coating | |
| JP2000120870A (en) | Piston ring | |
| EP3286353A1 (en) | Coated sliding element | |
| CN102770584A (en) | Sliding element, in particular a piston ring, and method for coating a sliding element | |
| KR20110073557A (en) | Sliding element in an internal combustion engine, in particular a piston ring | |
| JP2011519394A (en) | piston ring | |
| KR20130005282A (en) | Method for coating at least the inner face of a piston ring and piston ring | |
| KR20130033580A (en) | Piston ring for engine and manufacturing method thereof | |
| CN107013360A (en) | Sliding members | |
| CN107035564B (en) | Sliding element | |
| CN102933748A (en) | Helical compression spring for an oil scraper ring of a piston in an internal combustion engine and method for coating a helical compression spring | |
| RU2727466C2 (en) | Piston ring with protective layer having coating | |
| KR20130097063A (en) | Sliding element | |
| WO2017218444A1 (en) | Boron doped ta-c coating for engine components | |
| CN104471105A (en) | Sliding element and internal combustion engine | |
| BR112015017292B1 (en) | SLIDING ELEMENT, PARTICULARLY A PISTON RING, WITH A COATING | |
| WO2014138829A1 (en) | Sliding set for use in an international combustion engine |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200109 |